[发明专利]负载石墨烯/金属化合物的电极制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种空心阴极等离子还原、氮化的负载石墨烯/金属化合物的电极生产工艺过程，特别涉及一种空心阴极等离子还原、氮化氧化石墨烯/金属化合物的方法。

背景技术

超级电容器作为一种新型的能量存储设备取得了广泛的关注，其基本电容产生机制包括：双电层电容和赝电容电容。双电层电容要求材料具有高的比表面积和良好的导电性，赝电容材料要求表面具有快速的氧化还原(法拉第)过程。分别为超级电容器的功率密度和能量密度做出贡献。石墨烯作为一种高比表面积材料加之优秀的导电性能，成为制备双电层电极的明星材料。在其上复合多种金属化合物(RuO₂,MnO₂,V₂O₅,Fe₃O₄,NiS)作为赝电容材料，共同提高电极材料的比电容已经成为目前较流行的超级电容器制备方法。

目前在石墨烯的制备方法中主要有化学剥离(Hummers)法，和CVD法等。化学剥离法制备的为氧化石墨烯，虽然易于与金属化合物复合但其电导性差，在超级电容器上应用前需要还原。超级电容器电极材料的制备过程一般为：hummer法制备氧化石墨烯水溶液——复合纳米金属粒子——水热还原氧化石墨烯(水凝胶)——冷冻干燥(气凝胶)——研磨、涂覆在集流体上(泡沫镍)。这种制备流程在时间成本和经济成本上均较高，而且不适合商业化生产。在对氧化石墨烯还原过程(提高其电导性)改进的过程中，提出了化学还原法(氢碘酸处理)、热还原法等但均涉及到化学污染或提高能耗的问题，同时在化学处理的过程中还可能对金属化合物产生作用，使其丧失赝电容的性能，降低超级电容器的性能。而CVD等直接制备石墨烯的方法又不利于金属化合物的复合。

能否找到一种快速、高效适于商业化生产的石墨烯/金属化合物复合超级电容电极材料的制备过程，是超级电容器进一步应用的关键。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种快速、高效的空心阴极等离子还原、氮化的负载石墨烯/金属化合物的电极制备方法。

本发明包括以下步骤：

1)、复合了金属化合物的氧化石墨烯(GO)水溶液在泡沫金属电极上的沉积：

纳米金属化合物颗粒在氧化石墨烯水溶液中均匀混合，并固定在氧化石墨烯的片层结构上；采用真空抽滤的方法，使复合了金属化合物颗粒的氧化石墨烯水溶液沉淀在泡沫金属上，得到氧化石墨/金属化合物/泡沫金属。

2)、等离子体还原/氮化：

采用空心阴极放电的方法，在真空环境下，通过Ar气和N₂气等离子激发放电，对泡沫金属上的氧化石墨烯进行还原的同时氮化处理，得到氮掺杂的石墨烯/金属化合物/泡沫金属(GN/金属化合物/泡沫金属)。

所述真空环境的真空度为3.0*10^-3Pa；Ar气体的气流量为40sccm，N₂气体的气流量为100sccm；等离子激发放电电流100A，工作气压1.5*10^-1Pa；等离子激发放电时间为15分钟。

3)、电极制备：

将氮掺杂的石墨烯/金属化合物/泡沫金属材料进行压片、切割、封装制备能量存储设备电极。

所述的金属化合物为Fe₃O₄；泡沫金属为泡沫铜或泡沫镍。

本发明的有益效果是：

本发明采用空心阴极等离子还原、氮化氧化石墨烯的方法，还原过程时间短，不涉及化学污染，还原温度低、能耗小，同时对金属化合物无影响。还原的过程中直接对石墨烯氮化处理，提高电极性能。具有工艺简单，操作方便，利于商业化应用等特点。

具体实施方式

本发明包括以下步骤

1)、氧化石墨烯(GO)的制备——氧化石墨烯是根据改进后的Hummers方法制备的：

预氧化：首先，将2.5g过硫酸钾K₂S₂O₈和2.5g P₂O₅加入到80℃的7.5ml浓硫酸中形成强氧化溶液，再把5g天然石墨加入到上述混合物中并在80℃下搅拌3h；待上述溶液冷却至室温后，用0.5L去离子水稀释，倒出，抽滤，并用去离子水洗至中性；将产物放在干燥器中干燥完成石墨的预氧化过程；